一種在玻璃材料中製作微通道的裝置的製作方法

2023-05-02 21:14:46 2

專利名稱：一種在玻璃材料中製作微通道的裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及納秒雷射加工，特別是一種利用超聲波水輔助納秒雷射在玻璃材 料中製備三維微通道的裝置，本實用新型適用於在各種玻璃材料內部製備微納流體器件。
背景技術：
以微管道網絡為結構特徵的微流控晶片是當前十分活躍的研究領域，在化學分 析、材料合成及細胞培養等領域都得到了應用。玻璃以其穩定的上表面性質、好的透光性及 弱的螢光背景成為普遍使用的微流控晶片材料。目前玻璃晶片的加工主要基於光刻和溼法 腐蝕，即利用光刻技術在犧牲層製作圖案窗口，繼而使用化學腐蝕溶液進行腐蝕加工。對 於三維立體微通道的製備，還需要一系列諸如層疊和熔接等複雜的步驟。該方法所涉及的 光刻步驟需要昂貴的儀器和超淨室以及繁瑣的步驟，不利於在普通實驗室中推廣；而且由 於玻璃屬於各向同性材料，通過該方法成型的微通道通常具有較小的深寬比(最大0. 5左 右)，這大大限制了玻璃的應用範圍。飛秒雷射是一種脈寬極窄(I(T15S)、峰值功率極高的超短脈衝雷射。與長脈衝激 光加工相比，飛秒雷射加工精度高、熱影響區域小，而且還能加工透明材料。利用飛秒雷射 微加工技術有望克服上述傳統加工技術所面臨的各種困難，直接在玻璃材料內部加工出真 正的三維微通道。近年來，該技術引起了廣泛的重視，並得到飛速發展。採用飛秒雷射輻照 輔以高溫熱處理或選擇性HF酸腐蝕的製備技術目前已在玻璃材料內部加工出長度為數釐 米、深寬比高達1000的三維微通道(參見文獻:Y. Liao, Y. F. Ju, L. Zhang, et al.，Optics Letters, Vol. 35，No. 19，P3225, 2010 和 F. He, Y. Cheng, Ζ. Ζ. Xu, et al.，Optics Letters, Vol.35,No. 3,P282,2010)o但是該技術生產效率低，飛秒雷射直寫加工速度只有數十μ m/ s，而且飛秒雷射器價格昂貴，難以大規模工業化生產。
發明內容本實用新型要解決的問題在於克服上述微通道製備技術所存在的生產效率低、成 本高和深寬比受限等缺點，提供一種在玻璃材料中製作微通道的裝置。本實用新型提供的一種在玻璃材料中製作微通道的裝置，其特徵在於，該裝置包 括三維平臺、超聲波清洗機、支架和聚集鏡；超聲波清洗機在工作時固定在三維平臺的水平 工作檯上，用於安放待加工玻璃材料的支架放置於超聲波清洗機的腔體內；聚集鏡固定在 三維平臺的垂直軸上，並位於支架的上方。與現有的技術相比較，本實用新型的優點在於1、與傳統的光刻、化學腐蝕等表面微加工技術相比，水輔助納秒雷射製備微通道 的優勢在於該技術不需要設計專門的光刻模板，不需要化學處理過程，後期不需要層疊和 熔接等工序，直接在玻璃內部加工出三維微通道。2、與飛秒雷射微加工技術相比，所採用的納秒雷射器成本要低得多，而且加工速 度快，直寫速度可達到100mm/S，適合工業化應用；[0009]3、通過控制雷射光斑大小以及編程控制工作檯的直寫速度和距離，可以製備任意 深寬比的微通道，通道的直徑最小可達到4 μ m ；4、有水輔助，超聲波加強，通道的內壁光潔度高；5、雷射從玻璃樣品下表面開始加工，飛濺物和等離子體不影響入射雷射照射，可 以保證通道的縱向形貌均一(通道入口、內部及出口尺寸高度一致)以及加工重複性。

圖1為本實用新型所使用的超聲波水輔助納秒雷射刻寫裝置的示意圖；圖2為本實用新型利用超聲波水輔助納秒雷射在玻璃中製備三維微通道的加工 示意圖。圖中，1為三維平臺，2為照明光源，3為超聲波清洗機，4為支架，5為納秒雷射束， 6為聚集鏡，7為玻璃樣品，8為潔淨的水，9為鏡頭，10為CXD相機，11為超聲波發生器，12 為微通道，13為飛濺物。
具體實施方式
本實用新型採用的技術方案其實施步驟為①將待刻寫的玻璃樣品置於超聲波環境中，並使玻璃下表面浸沒在潔淨的水中， 玻璃上表面裸露在空氣中；將玻璃樣品下表面浸沒在潔淨的水(最好採用蒸餾水)中是因為當玻璃樣品與水 接觸，由於毛細管現象，水能流進雷射刻寫的微通道，帶走刻寫時產生的玻璃碎屑和等離子 體，從而避免材料的再沉積和阻塞，保證微通道管壁整潔通暢。利用超聲波清洗提高加工質量，獲得高深寬比的微通道。雷射刻蝕玻璃時與水接 觸會產生很強的等離子體擴張，從而產生很多水泡粘附在通道管壁上，如果不及時消除會 阻礙甚至終止雷射刻蝕玻璃。玻璃是超聲波很好的導體，在水容器中很容易與超聲波耦合， 從而可藉助超聲波來消除管壁上的水泡。具體原理是超聲波使水分子振動產生無數微小氣 泡，這些微小氣泡在正壓區迅速閉合而瞬間高壓爆破，形成無數微觀高壓衝擊波作用於通 道管壁上，從而推動管壁上的水泡向管口移動，直至消失。②將由納秒雷射器發出的雷射通過數值孔徑NA為0. 25 0. 7的聚焦鏡聚焦，聚 焦的納秒雷射脈衝垂直待刻寫的玻璃樣品的上表面入射，納秒雷射脈衝的焦點位於玻璃樣 品下表面；選用高脈衝能量的納秒雷射直寫，並用高數值孔徑的聚焦鏡，目的是在微小區域 獲得高的能量密度。聚焦後納秒雷射的焦點附近具有超高電場強度，只要該值超過玻璃材 料的破壞閾值，即使玻璃材料本身在雷射波長處不存在本徵吸收，也會因雷射誘導的多光 子吸收、多光子離子化等非線性反應，而導致玻璃材料的燒蝕。聚焦鏡的數值孔徑選擇根據 所要製備的三維微通道結構以及尺寸要求而定。③按設定的掃描路徑從底往上移動由納秒雷射器發出的雷射束，直至在玻璃內部 直寫出三維微通道。所述的納秒雷射的參數為脈寬5 30ns，波長355 1064nm，脈衝頻 率1 IOOKHz，脈衝能量1 IOmJ0將納秒雷射聚焦到玻璃樣品的下表面從底往上掃描，這樣做的目的是避免了雷射與材料作用產生的等離子體對加工過程的影響以及裂紋的產生，保證了重複加工的一致 性。為了定位，在納秒雷射入射到玻璃樣品下表面時，可以採用CCD相機監測納秒激 光焦點在待刻寫玻璃材料下表面的位置。所述的玻璃樣品材料包括石英玻璃、矽酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃和氟化 物玻璃。如圖1所示，本實用新型提供的裝置包括三維平臺1、超聲波清洗機3、支架4和聚 集鏡6 ；工作時，超聲波清洗機3固定在三維平臺1的水平工作檯上。超聲波清洗機3的 腔體內裝有潔淨的水8，超聲波發生器11安置在超聲波清洗機3底部，玻璃樣品7通過支 架4放置於腔體內，並使玻璃樣品7的下表面浸沒在潔淨的水8中，上表面裸露在空氣中， 納秒雷射束5通過聚集鏡6聚集於玻璃樣品7的下表面。聚集鏡6固定在三維平臺1的垂 直軸上。聚集鏡6通常採用數值孔徑NA為0. 25 0. 7的顯微鏡物鏡。超聲波清洗機的功 率範圍為5 50W，超聲頻率為20 60KHz。本實用新型裝置還可以增設用於定位的CXD 相機10和照明光源2，兩者分別位於玻璃樣品7的兩側。下面通過實施例對本實用新型作進一步說明，以便於對本實用新型及其要點的理 解，但不應以此限制本實用新型的保護範圍。實例1 現已矽酸鹽玻璃為例來說明本實用新型方法，由圖1、2可見，本實用新型利用超 聲波水輔助納秒雷射製備三維微通道的方法如下(1)將盛有蒸餾水的超聲波清洗機固定在三維平臺1的水平工作檯上，超聲波清 洗機3機身為透明材質，功率為50W，頻率20KHz。(2)將矽酸鹽玻璃樣品(尺寸為13mmX5mmX2mm)固定在超聲波清洗機中的支架 4上，玻璃樣品7下表面浸沒在蒸餾水中，上表面裸露在空氣中，同時將CCD相機10連接到 計算機上以便定位和實時觀察加工過程；(3)採用中心波長為1064nm、脈衝寬度為6ns、重複頻率為40kHz、脈衝能量可達 4mJ的納秒雷射作為刻寫雷射束，調整好能量的納秒雷射束5由顯微鏡物鏡(NA = 0. 45，工 作距離為19. 5mm)聚焦，聚焦的納秒雷射束垂直入射到玻璃7的上表面，由CXD相機10監測 光斑在玻璃內的定位，通過調節移動平臺使納秒雷射束的焦點達到石英玻璃下表面上。聚 焦後的光斑直徑為8 μ m ；CXD相機10為高速相機，幀速率為1000幀/秒，配5 X鏡頭9。(4)開啟超聲波清洗機電源，打開雷射光閘，通過控制移動平臺按預設三維移動路 徑從底往上移動從而帶動樣品相對於雷射焦點移動(如圖2所示)，直至三維微通道結構形 成。樣品中被雷射聚焦照射的地方會被燒蝕，形成通道12，飛濺物13從底部飛出並融入水 中。三維平臺的移動速度為200 μ m/s，加工後的微通道直徑約為10 μ m,深度為2000 μ m,深 寬比為200。實例2-4 實例2-4採用表一中的器件和工藝參數，按照實例1相同的工作過程進行，加工後 的微通道參數如表二所示。[0037]表一實例2-4所採用的工藝參數
實例23權利要求1.一種在玻璃材料中製作微通道的裝置，其特徵在於，該裝置包括三維平臺、超聲波 清洗機、支架和聚集鏡；超聲波清洗機在工作時固定在三維平臺的水平工作檯上，用於安 放待加工玻璃材料的支架放置於超聲波清洗機的腔體內；聚集鏡固定在三維平臺的垂直軸 上，並位於支架的上方。
2.根據權利要求1述的裝置，其特徵在於，該裝置還包括分別位於支架兩側的CCD相機 和照明光源。
專利摘要本實用新型公開了一種在玻璃材料中製作微通道的裝置，該裝置包括三維平臺、超聲波清洗機、支架和聚集鏡。工作時，超聲波清洗機固定在三維平臺上；玻璃樣品通過支架放置於超聲波清洗機腔體內，聚集鏡固定在三維平臺的垂直軸上。首先將待刻寫的玻璃樣品置於超聲波環境中，並使玻璃下表面浸沒在潔淨的水中，玻璃上表面裸露在空氣中；然後將由納秒雷射器發出的雷射通過聚焦鏡聚焦，聚焦的納秒雷射脈衝垂直待刻寫的玻璃樣品的上表面入射，納秒雷射脈衝的焦點位於玻璃樣品下表面；最後按預先設定的掃描路徑從底往上移動由納秒雷射器發出的雷射束，直至在玻璃內部直寫出三維微通道。本實用新型克服了現有技術存在的生產效率低、成本高和深寬比受限等缺點。
文檔編號C03B33/08GK201901642SQ201020628660
公開日2011年7月20日 申請日期2010年11月26日 優先權日2010年11月26日
發明者曾曉雁, 段軍, 胡乾午, 蔡志祥 申請人:華中科技大學